Термоядерный синтез

В статье о возрасте Земли, написанной в 1893 году, за три года до открытия радиоактивности, американский геолог Кларенс Кинг писал: «Соответствие полученного возраста Земли и Солнца, несомненно, подкрепляет позицию физиков и вынуждает оправдываться тех, кто придерживается позиции неопределенно длительного времени, которая основана на седиментарной геологии». Точка зрения Кинга была вполне обоснованной. Если считать, что возраст Солнца составляет всего несколько десятков миллионов лет, любые оценки возраста на основании седиментации – осаждения пород – оказываются ограниченны, поскольку для седиментации необходимо, чтобы Землю подогревало Солнце.

Вспомним, что Кельвин вычислял возраст Солнца, полагаясь исключительно на высвобождение гравитационной энергии в виде тепла по мере сжатия Солнца. Мысль, что гравитационная энергия может быть источником солнечного света и тепла, впервые пришла в голову шотландскому физику Джону Джеймсу Уотерсону еще в 1845 году. Поначалу никто не обратил на нее внимания, однако в 1854 году к ней вернулся Гельмгольц, а затем ее подхватил и с энтузиазмом популяризировал и Кельвин. С открытием радиоактивности многие предположили, что подлинным источником энергии Солнца может оказаться радиоактивное высвобождение тепла. Однако выяснилось, что и это не совсем так. Даже при совершенно безумном предположении, что Солнце состоит в основном из урана и радиоактивных продуктов его распада, вырабатываемой при этом энергии не хватило бы, чтобы обеспечить наблюдаемую яркость Солнца, поскольку цепные реакции во времена Кельвина известны не были и не учитывались. Нет никаких сомнений, что оценка возраста Солнца, которую дал Кельвин, укрепила его нежелание пересматривать свою оценку возраста Земли, поскольку, пока существовала проблема возраста Солнца, расхождение с геологическими расчетами не удалось бы урегулировать.

Ответ был дан лишь несколько десятков лет спустя. В августе 1920 года астрофизик Артур Эддингтон предположил, что энергетическим источником Солнца служит термоядерный синтез ядер водорода и формирование гелия. Чтобы проверить эту гипотезу, физики Ганс Бёте и Карл Фридрих фон Вайцзеккер проанализировали самые разнообразные цепочки ядерных реакций. Наконец, уже в 1940 годах, астрофизик Фред Хойл (к его революционным открытиям мы еще вернемся в главе 8) предположил, что реакции термоядерного синтеза в ядрах звезд способны синтезировать атомные ядра от углерода до железа. Как я отметил в предыдущей главе, именно поэтому Кельвин был совершенно прав, когда в 1862 году заявил: «Что касается будущего, можно с той же определенностью сказать, что обитатели Земли не смогут наслаждаться светом и теплом [Солнца], необходимыми для жизни, еще много миллионов лет, если в великой сокровищнице творения для нас не приготовлены запасы, о которых мы еще не подозреваем (выделено мной. – М. Л.)». Чтобы решить проблему Солнца, понадобился гений Эйнштейна, который показал, что массу можно преобразовать в энергию, и труды ведущих астрофизиков ХХ века, которые показали, какие именно реакции термоядерного синтеза обеспечивают подобное превращение.

Несмотря на то что сегодня оценка возраста Земли по Кельвину в целом подпадает под понятие «ляпсус», тем не менее я считаю, что ляпсус этот совершенно блистательный. Кельвин произвел переворот в геохронологии, превратил расплывчатые спекуляции в настоящую науку, опирающуюся на законы физики. Его новаторские труды положили начало живому диалогу между геологами и физиками – взаимообмену, который продолжался до тех пор, пока все противоречия не удалось полностью уладить. При этом Кельвин параллельно занимался и возрастом Солнца – и из его работ очевидно следовало, что необходимо искать новые источники энергии.

Сам Чарльз Дарвин прекрасно понимал, что выкладки Кельвина препятствуют его теории и что это препятствие следует ликвидировать. Когда он в последний раз пересматривал «Происхождение видов», то писал:

«Что же касается промежутка времени, который истек с той поры, когда наша планета затвердела, и его недостаточности для предполагаемого размера изменения органического мира, то возражение, упорно защищаемое сэром Уильямом Томсоном [Кельвином], по всей вероятности, одно из самых важных, какие были до сих пор выдвинуты, и я могу сказать лишь следующее: во-первых, мы не знаем, как быстро протекают изменения видов, если выражать это время годами, и, во-вторых, многие ученые еще до сих пор не допускают, что строение Вселенной и внутренности нашей планеты известны нам в такой степени, которая допускала бы сколько-нибудь достоверные соображения о продолжительности ее существования.»

К сожалению, Дарвин не дожил до того времени, когда Перри выдвинул свою гипотезу о конвекции в недрах Земли, до открытия радиоактивности и до понимания, что в ядрах звезд идут реакции термоядерного синтеза – то есть до того времени, когда временные ограничения, установленные Кельвином, рухнули под натиском научных открытий. Однако факт остается фактом: именно выкладки Кельвина привлекли внимание к этой проблеме и к тому, что ее надо решать.

Для нас, людей, одно из главных преимуществ того, что Земля уже так давно, целых 4,5 миллиарда лет, греется в лучах солнечной энергии, состоит в том, что на нашей планете возникла сложная жизнь. Однако кирпичики, из которых слагаются все живые организмы, – это клетки, и лишь к 1880 годам ученые, вооружившись мощной оптикой, сумели изучить внутреннюю структуру клеток и пустили в обращение термин «хромосома»: так они назвали тельца, похожие на пружинки, обнаруженные в ядрах клеток. Вскоре после этого была заново открыта работа Менделя о генах («факторах»), а революционные исследования Томаса Ханта Моргана и его учеников в Колумбийском университете позволили построить карту позиций генов вдоль хромосом. В 1944 году в хромосомах была выявлена особая молекула – ДНК, которая заняла главное место в изучении генетики. Вскоре биологи поняли, что все клетки получают информацию не от белков, а от двух молекул – ДНК и РНК, так называемых нуклеиновых кислот. Ученые установили, что молекулы ДНК – это начальство, руководящее лихорадочной деятельностью внутри клетки, а кроме того, именно эти молекулы умеют создавать точные копии самих себя. А молекулы РНК, как было показано, отвечают за передачу распоряжений, которые отдают молекулы ДНК, остальной клетке. Вместе эти молекулы содержат всю информацию, которая необходима, чтобы заставить функционировать яблоню, змея, женщину и мужчину. Открытие молекулярной структуры белков и ДНК – это две самые интересные истории о том, как ученые углублялись в происхождение и устройство жизни. Однако и в эти истории также вкрались два колоссальных ляпсуса.